(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルの壁面に設置される壁パネルと協働してトンネルの周囲壁面を形成するトンネル熱交換用パネルであって、
前記トンネルの地中又は空気と熱交換を行うためのパネル本体と、
このパネル本体に設けられ、前記熱交換された熱を、前記パネル本体から離れた位置に循環流体を介して移動させるための熱移動用流体路の一部を形成するパネル内流体路とを有し、
前記トンネルの長手方向に複数個連続して設置させてトンネル側熱交換部を形成できるようにした
ことを特徴とするトンネル熱交換用パネル。
【請求項２】
請求項１に記載されたトンネル熱交換用パネルにおいて、
前記パネル内流体路は、前記パネル本体に形成された穴に合成樹脂製又は耐蝕性のある金属製のパイプが挿通されているものである
ことを特徴とするトンネル熱交換用パネル。
【請求項３】
請求項１又は２に記載されたトンネル熱交換用パネルにおいて、
前記パネル本体は、前記パネル内流体路の相互の接続部が凹凸部を構成し、相互に差込み接続が可能になっているものである
ことを特徴とするトンネル熱交換用パネル。
【請求項４】
請求項１又は２に記載されたトンネル熱交換用パネルにおいて、
前記パネル本体には、前記パネル内流体路の往路と復路が形成されている
ことを特徴とするトンネル熱交換用パネル。
【請求項５】
請求項１又は２に記載されたトンネル熱交換用パネルにおいて、
前記パネル本体は、内部で前記パネル内流体路の往路と復路が合流し、前記循環流体が向きをかえて循環可能に設けられているのものである
ことを特徴とするトンネル熱交換用パネル。
【請求項６】
請求項１又は２に記載されたトンネル熱交換用パネルにおいて、
前記パネル本体は、高熱伝導性コンクリート、低熱伝導性コンクリート、一般のコンクリートのいずれかで形成されたもの、又は、高熱伝導性コンクリート、低熱伝導性コンクリート、一般のコンクリートの少なくとも２種類が組み合わされて一体化されたものである
ことを特徴とするトンネル熱交換用パネル。
【請求項７】
請求項１又は２に記載されたトンネル熱交換用パネルであって、
前記パネル本体には、フィンが形成され、このフィン近傍の地中又は空気と熱交換するものである
ことを特徴とするトンネル熱交換用パネル。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載されたトンネル熱交換用パネルであって、
前記パネル本体は、平板状又は弧状に形成されているものである
ことを特徴とするトンネル熱交換用パネル。
【請求項９】
請求項１又は２に記載されたトンネル熱交換用パネルをトンネルの長手方向に複数個連続して設置させて構成されるトンネル側熱交換部と、
前記トンネル側熱交換部のパネル内流体路と接続され、前記トンネル熱交換部で前記トンネルの地中又は空気と熱交換された熱を移動させるための循環流体が循環するための熱移動用流体路と、
前記熱移動用流体路を循環する循環流体によって移動させた熱で、熱制御対象物を加熱又は冷却するための負荷側熱交換部とからなっている
ことを特徴とするトンネル熱利用熱交換システム。
【請求項１０】
請求項１又は２に記載されたトンネル熱交換用パネルをトンネルの長手方向に複数個連続して設置させて構成されるトンネル側熱交換部と、
前記トンネル側熱交換部のパネル内流体路と接続され、前記トンネル側熱交換部で前記トンネルの地中又は空気と熱交換された熱を移動させるための第１循環流体が循環する第１熱移動用流体路と、
負荷側熱交換部を加熱又は冷却するため第２循環流体が循環する第２熱移動用流体路と、
前記第１熱移動用流体路と前記第２熱移動用流体路との間に設けられ、前記第１循環流体を熱源として、前記第１循環流体より高温又は低温の前記第２循環流体を造成するヒートポンプとからなっている
ことを特徴とするトンネル熱利用熱交換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルの壁面に設置される壁パネルと協働してトンネルの周囲の内壁を形成するとともに、トンネルの地中又は空気と熱交換するためのトンネル熱交換用パネルに関する。また、本発明は、トンネル熱交換用パネルを複数設置させて構成したトンネル熱交換部でトンネルの地中又は空気と熱交換した熱を、負荷側熱交換部を冷却又は加熱する熱源として利用するトンネル熱利用熱交換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から特に寒冷地においては、路面の凍結を防止するため種々の対策がなされている。例えば、路面に発熱ケーブルを埋設して直接電熱を利用し凍結を防止する方式のもの、あるいは路面にパイプを埋設して温水をパイプに流し循環させ凍結を防止する温水循環方式のものが知られている。又、最も簡易な方式では、単に路面に散水するのみの凍結防止方法もよく行われている。
【０００３】
近年は環境に配慮し、自然エネルギーの有効利用、低ランニングコスト化の観点から地中熱利用のシステムが注目されている。地中温度は一年中ほぼ一定であり、外気温度に比べ夏は低く、冬は高くなっている。すなわち、地中熱利用ヒートポンプ装置とは、地中に広く分布する１０〜１５℃という低温であるがほぼ恒温の熱エネルギーを利用し、ヒートポンプでより高温又は低温の熱エネルギーに交換し、冷温水や冷温風を造成することで、融雪用熱源又は冷暖房用熱源等として利用する装置である。
【０００４】
一方、トンネル内の排気ファンの排出口付近に熱交換器を設置し、排気熱を熱源とするヒートポンプを設け、ヒートポンプの利用側熱交換器で温水を製造し、この温水を融雪管に循環させる融雪設備が知られている（例えば、特許文献１参照）。さらに、トンネルの壁面に横方向に孔を穿設し、この孔に地熱吸収用パイプを設置し、この地熱吸収用パイプを路面の融雪用パイプと接続させ、地熱吸収用パイプと融雪用パイプとの間で水をポンプで循環させるようにした路面の凍結防止方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
一般にトンネル工事は、シールドマシンや発破工法等でトンネル掘削を行う場合、数メートルの所定スパンを掘削後、トンネル保坑のためコンクリートやパネル（セグメントともいう）をトンネル内壁に設置する場合が多い。岩盤が強固な場合はルーフボルト等で保持し、コンクリート吹き付け等の場合もある。しかし、公共施設としてのトンネルは殆どが鉄骨とパネルあるいは鉄骨とコンクリート等の組み合わせで構築されている。
【０００６】
このような従来の工法によるトンネル掘削において、トンネル内の長手方向に長いパイプ等を設置する場合、例えば鉄骨を使用する場合にこの鉄骨にパイプ等を保持させてネジで連結させる例が通信用パイプ等の設置で知られている。これを地中熱交換設備に適用すると、トンネル掘削時に鉄骨やアンカーボルトで仮保坑しながら掘削し、トンネルが完成した後、最終的に、トンネル内全体にコンクリートを打設する方法で熱交換システムを設置しなければならない。また、所定長ごとにコンクリート等で仕上げるトンネルにおいては、トンネルの長手方向にポリエチレンパイプ等を延長し、設置することは不可能な現状にある。
【０００７】
通常、地中熱を直接利用したり、ヒートポンプの熱源として利用する場合は、地中との熱交換を行うために地中熱交換器を設置する必要がある。地中熱交換器を設置する方法として、一般的には、ボーリング等で孔井を掘削し、この中に鋼管やポリエチレンパイプ等を挿入したり、基礎杭等の中あるいは外側に、杭に沿ってポリエチレンパイプ等を設置するなどして地中熱交換器としている。このように設置した地中熱交換器のポリエチレンパイプ等の中を水や不凍液等を循環させ、地中と熱交換を行なうシステムとしている。
【特許文献１】特許第２８５８０７０号公報
【特許文献２】特許第３５６１８４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来の技術において、電熱を直接利用し凍結を防止する方式、温水を循環させて凍結を防止する温水循環方式は、トンネルが持っている地中、空気等の熱を有効に活用しているものでなく、自然エネルギーの有効利用、低ランニングコスト化できないという問題があった。又、特許文献１の技術は、排気熱を熱源とするものであり、トンネルが持っている熱をまだ有効に活用できていないおそれがあった。さらに、特許文献２の技術は、トンネル工事以外に地熱吸収用パイプ用の孔を穿孔する工事を行う必要があり、工事コストの上昇、工事期間の増大などの問題点があった。
【０００９】
特に現状のトンネルからの地中熱の利用においては、その施行方法の制約もあり、安定して恒常的な地中熱利用の形態にはなっていない。トンネル施行工事には前述のとおり、コンクリート打設工事が伴うので、この本工事のときに地中熱交換器用の部材も合わせて取り付けることができれば、地中熱交換器設置のために改めて工事をする必要がなく、効率的で施工コストを低減することができる。
【００１０】
しかしながら、前述のように、トンネルが完成した後、パイプを敷設してコンクリートを打設する方法は、トンネルを掘削しながら、地中熱交換器としてポリエチレン等のパイプをコンクリート内に、トンネルの長手方向（延長方向）に沿って長く設置することは不可能である。仮に設置されるとしてもその形態は固定的でフレキシブル性に乏しい。また、地中熱交換器設置の工事はトンネル本工事の完成を待たねば着手できない。
【００１１】
パネルを使用するトンネルの本工事も公知であるが、表面タイルの貼設したもの、ガラス繊維強化等の施されたもの、トンネル内照明の均等反射のため等、あるいは補修用等本工事として適用されているものであり、熱交換器用の部材を組み込んだものではない。
【００１２】
本発明は、このような従来の問題点を解決するために想起されたもので、下記の目的を達成する。
本発明の目的は、トンネル施工と同時に、設置可能であるとともに、トンネルの地中又は空気と熱交換を行うことができるトンネル熱交換用パネルを提供することにある。
本発明の他の目的は、トンネル熱交換用パネルにより熱交換した熱で、熱制御対象物を加熱又は冷却するためのトンネル熱利用熱交換システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、前記目的を達成するために次の手段をとる。
本発明１のトンネル熱交換用パネルは、
トンネルの壁面に設置される壁パネルと協働してトンネルの周囲壁面を形成するトンネル熱交換用パネルであって、前記トンネルの地中又は空気と熱交換を行うためのパネル本体と、このパネル本体に設けられ、前記熱交換された熱を、前記パネル本体から離れた位置に循環流体を介して移動させるための熱移動用流体路の一部を形成するパネル内流体路とを有し、前記トンネルの長手方向に複数個連続して設置させてトンネル側熱交換部を形成できるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
本発明２のトンネル熱交換用パネルは、本発明１において、
前記パネル内流体路は、前記パネル本体に形成された穴に合成樹脂製又は耐蝕性のある金属製のパイプが挿通されているものであることを特徴とする。
【００１５】
本発明３のトンネル熱交換用パネルは、本発明１又は２において、
前記パネル本体は、前記パネル内流体路の相互の接続部が凹凸部を構成し、相互に差込み接続が可能になっているものであることを特徴とする。
【００１６】
本発明４のトンネル熱交換用パネルは、本発明１又は２において、
前記パネル本体には、前記パネル内流体路の往路と復路が形成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明５のトンネル熱交換用パネルは、本発明１又は２において、
前記パネル本体は、内部で前記パネル内流体路の往路と復路が合流し、前記循環流体が向きをかえて循環するように設けられているのものであることを特徴とする。
【００１８】
本発明６のトンネル熱交換用パネルは、本発明１又は２において、
前記パネル本体は、高熱伝導性コンクリート、低熱伝導性コンクリート、一般のコンクリートのいずれかで形成されたもの、又は、高熱伝導性コンクリート、低熱伝導性コンクリート、一般のコンクリートの少なくとも２種類が組み合わされて一体化されたものであることを特徴とする。
【００１９】
本発明７のトンネル熱交換用パネルは、本発明１又は２において、
前記パネル本体には、フィンが形成され、このフィン近傍の地中又は空気と熱交換するものであることを特徴とする。
【００２０】
本発明８のトンネル熱交換用パネルは、本発明１から７において、
前記パネル本体は、平板状又は弧状に形成されているものであることを特徴とする。
【００２１】
本発明９のトンネル熱利用熱交換システムは、
本発明１又は２に記載されたトンネル熱交換用パネルをトンネルの長手方向に複数個連続して設置させて構成されるトンネル側熱交換部と、前記トンネル側熱交換部のパネル内流体路と接続され、前記トンネル熱交換部で前記トンネルの地中又は空気と熱交換された熱を移動させるための循環流体が循環するための熱移動用流体路と、前記熱移動用流体路を循環する循環流体によって移動させた熱で、熱制御対象物を加熱又は冷却するための負荷側熱交換部とからなっていることを特徴とする。
【００２２】
本発明１０のトンネル熱利用熱交換システムは、
本発明１又は２に記載されたトンネル熱交換用パネルをトンネルの長手方向に複数個連続して設置させて構成されるトンネル側熱交換部と、前記トンネル側熱交換部のパネル内流体路と接続され、前記トンネル側熱交換部で前記トンネルの地中又は空気と熱交換された熱を移動させるための第１循環流体が循環する第１熱移動用流体路と、負荷側熱交換部を加熱又は冷却するため第２循環流体が循環する第２熱移動用流体路と、前記第１熱移動用流体路と前記第２熱移動用流体路との間に設けられ、前記第１循環流体を熱源として、前記第１循環流体より高温又は低温の前記第２循環流体を造成するヒートポンプとからなっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のトンネル熱交換用パネルは、トンネルの内壁に、トンネルの施工工事と一緒に設置の工事を行うことができる。このトンネル熱交換用パネルは、トンネルの内壁の任意の位置に任意の数量を設置でき、このトンネル熱交換用パネルがトンネル側熱交換部を構成することができる。この結果、トンネル内の地中、トンネル内の空気と熱交換が安定して、効率よく行えるようになった。
【００２４】
このトンネル熱交換用パネルによるトンネル側熱交換部の設置工事は、トンネルの本工事と同時進行が可能であり、トンネル工事の完了と同時にトンネル内にトンネル側熱交換部が設置される。すなわち、トンネル側熱交換部の設置工事期間、費用が、従来の工事に比し大幅に軽減される。言い換えると、トンネルの長手方向（延長方向）に、大容量のトンネル側熱交換部が経済的に、短期間に設置できる。
【００２５】
また、本発明のトンネル用熱交換用パネルを使用したトンネル熱利用熱交換システムは、前述したトンネル側熱交換部でトンネルの地中又は空気と熱交換した熱を、熱源として広く活用することができ、自然エネルギーの活用、省エネルギー化が図れ、環境にやさしい冷暖房装置、融雪装置、給湯装置等を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のトンネル熱交換用パネル及びトンネル熱利用熱交換システムの実施の形態を模式的に示す全体構成図である。図２は、トンネルの断面図を示す図である。実施の形態における図は、トンネル熱交換用パネル３で構成されるトンネル熱交換部４で地中熱を取り出し、負荷側熱交換部２に伝達する構成のものである。トンネル内壁１には、本発明のトンネル熱交換用パネル（以下、熱交換用パネルという。）３が取り付けられている。なお、パネルはセグメントなどと呼ばれることもある。
【００２７】
熱交換用パネル３はトンネルの地中又は空気と熱交換する機能を有するものである。この熱交換用パネル３は、トンネル掘削過程でトンネル壁面に取り付けが可能である。熱交換用パネル３は、壁パネル３ａと協働してトンネル内壁１を構成する。熱交換用パネル３は、トンネル用に掘削した孔の壁面である地山（地盤、岩盤など）と接触し、あるいは、トンネル内の空気と接触し、いずれも熱交換し易いように設置される。また、熱交換用パネル３、壁パネル３ａと地山（地盤、岩盤など）との間は裏込コンクリート１ａが埋設される。
【００２８】
この熱交換用パネル３はトンネルの壁の一部を構成するものであり、トンネルの壁を補強しつつ、通常の熱交換機能を有しない壁パネル３ａと組み合わせて設置される。熱交換用パネル３を長手方向に複数個設置することで、トンネルの壁の設置と同時にトンネル側熱交換部４が設置できる構成となっている。そして、トンネルの掘削が完了あるいは所定のトンネル長さに達したとき、その後端部の熱交換用パネル３に第１循環流体（以下、第１流体という。）１０ｂの流れの向きを変えるための熱交換用パネル３を使用するとよい。
【００２９】
この実施の形態の熱交換用パネル３は、前述のようにトンネルを掘削しながらトンネルの壁あるいはトンネルの壁の外面に、裏込コンクリート１ａ等で地山、地盤、地層等と密着するように施工、設置する必要があり、空洞を形成してはならない。トンネルの壁の補強をしながら本工事と同時に施工される過程でトンネル壁面内にトンネル側熱交換部４が設置されるのである。このトンネルの後端部の熱交換用パネル３は内部に設けられるパネル内流体路である穴がＵ字状になっていて第１流体１０ｂが循環可能な構成をなしている。なお、トンネル内の空気と熱交換しようとする場合は、熱交換用パネルをトンネルの内壁１の内側に設置してもよい。
【００３０】
この熱交換用パネル３の端部は、隣の熱交換用パネルの端部との接合される場合、熱移動用流体路（以下、流体路という。）が水密性を保持して設置されるものである。なお、熱交換用パネル３は、流体路を形成するためのパイプを挿通可能な穴を設けたものであってもよい。このパイプとしては、合成樹脂製（例えばポリエチレン製）のパイプ、耐蝕性を有する金属製（例えば、ステンレス製）のパイプが使用できる。なお、この実施の形態では、掘削中のトンネルを例に説明を行っているが、この説明でいうトンネルには、立坑のようなものも含まれている。すなわち、立坑でもトンネルと同様のことができ、立坑を掘削しているときに、パネル、熱交換用パネル３を立坑の長手方向（例えば、鉛直方向）に設置していけばよい。また熱交換用パネル３を立坑の鉛直方向に設置するような場合には、パイプに例えばステンレス（ＳＵＳ）管や耐蝕性を有する鋼管を使用するとよい。このＳＵＳ管や鋼管は金属体であるので、熱の伝達性がよく、強度が高いので立坑に好適である。
【００３１】
このようにトンネル掘削中にこの熱交換用パネル３を使用することで、本工事の進行に合わせ、トンネル壁面に沿って熱交換（熱採取、熱放出）機能を有する熱交換用パネル３を任意の数量、任意の位置へ設置してトンネル側熱交換部４を構成することを可能としている。地下鉄のような地中深くに掘削されたトンネルは、その周囲が岩盤に囲まれ、大気との熱交換も少なく一定の安定した地温下にある。このためこのトンネルの地中熱を利用する上では、非常にめぐまれた条件下にある。また、トンネル内の空気の熱（廃熱等）を利用するのにも、非常にめぐまれた条件下にある。この地中又は空気の熱は、駅舎、地下鉄関係の各設備の冷暖房装置、給湯装置等に利用するとよい。さらに、トンネル内の廃熱を熱交換用パネル３から採取すると、熱源として利用しながらトンネル内の空気の温度を下げる効果もある。
【００３２】
又、逆に長さの短い山岳トンネルのような場合は、通気がよく、トンネル内は一定の温度が維持されない。従って、比較的温度の安定しているトンネル内壁１で地盤側に近い地中温度の安定している部位にトンネル側熱交換部４を構成する熱交換用パネル３を設置するほうが有効的である。このような場合には、熱交換用パネルをトンネルの内壁１の外側に設置してもよい。
【００３３】
次に熱交換用パネル３の構成について説明する。熱交換用パネル３はコンクリート、ＰＣコンクリートあるいは鉄筋コンクリート等で製作される。外形は、弧状あるいは平板状をなし、コンクリートの厚さの内部に例えば直径４０ｍｍ〜６０ｍｍ程度の孔が空いた構造を有するものである。この孔にポリエチレンパイプあるいは耐食性の金属パイプ等が埋設され、パイプと孔の隙間は、コンクリート等のグラウト材で充填されている。このパイプ内を第１流体（例えば、水又は不凍液）１０ｂが循環し、トンネルの地中又は空気と熱交換を行なうとよい。
【００３４】
第１流体１０ｂは直接コンクリートと接触せずポリエチレン製、プラスチック製、金属製等のパイプ内を流れることが望ましい。弧状あるいは平板状のコンクリート製の熱交換用パネル３は組み合わせてトンネルの壁面を形成するもので、一般に利用されている壁パネル３ａと組み合わせて設置することができる。トンネル壁面内の数箇所にこの熱交換用パネル３を設置することで、トンネル内壁１にトンネル側熱交換部４を設置したことになる。
【００３５】
既存のコンクリートパネルと組み合わせる場合、熱交換用パネル３に構造上弱い部分がある場合、厚さや内部の鉄筋等の組み合わせを交えて強さを確保する。トンネル内壁１の面に、この熱交換用パネル３をトンネルの延長方向に複数個設置したトンネル側熱交換部４を複数台設置することで延長ができるので、大容量のトンネル側熱交換部４としての機能を発揮することもできる。
【００３６】
一般の壁パネル３ａとの組み合わせでトンネル側壁を構成できる他、一般の壁パネル３ａの外側（地山側）又は内側に設置したり、あるいは熱交換用パネル３を必要な部分に設置した上でコンクリート捲きたて等の施工を行うことができる。熱交換用パネル３は施工時に接合されると、その接合部は熱交換用パネル３内の第１流体１０ｂ等が漏洩しないように密着された構造になり、第１流体１０ｂの流体路が確保でき、トンネルの地中又は空気と熱交換が可能となる。
【００３７】
トンネルの一方の端部には、前述のように戻り循環のできる熱交換用パネル３を使用する。その熱交換用パネル３は、内部にＵ字状に孔の設けられた熱交換用パネル３であってもよく、Ｕ字状の溝の設けられた熱交換用パネル３であってもよい。設置する際には、前述のとおり、ポリエチレンパイプ等を挿入しパイプの周囲はセメント等グラウト材で埋められるので、熱交換性の機能は変わらない。
【００３８】
〔熱交換用パネルの設置構成〕
次に具体的な熱交換用パネル３の構成、熱交換用パネル３とパイプ（パネル内流体路）の構成についての形態を説明する。図３は、熱交換用パネルで構成されるトンネル側熱交換部の実施の形態１を示す断面図、図４は、熱交換用パネルで構成されるトンネル側熱交換部の実施の形態２を示す断面図、図５は、熱交換用パネルの孔とパイプとの間にグラウト材を充填した状態を示す断面図である。
【００３９】
〔トンネル側熱交換部の実施の形態１〕
図３に示すように、熱交換用パネル３のパネル本体３ｂ内に２本の孔が設けられ、この孔内に耐蝕性を有する金属製やポリエチレン製のパイプ３ｃが予め設置されている。熱交換用パネル３同士を接続する際に、水等の漏洩がないように密閉された状態で、ジョイントされる構造を有する形態である。トンネル側熱交換部４の長さが所定の長さに到達したら、最後に２本の孔と連通する孔をＵ字状のものに変えて、第１流体１０ｂが循環可能に構成できるＵ字型孔を有する熱交換用パネル３を接続するとよい。これにより全体をＵ字状のトンネル側熱交換部４とし、この熱交換用パネル３のパネル内流体路を介して第１流体１０ｂを循環することでトンネルの地中及び空気と熱交換できる構造のものが形成される。
【００４０】
この実施の形態１の熱交換用パネル３は隣接して複数個接続されるが、その接続側端部は凹凸形状になっている。即ち熱交換用パネル３の一端は、２本の孔部分の熱交換用パネル３の一部が円錐形状凸部分として張り出すように形成されている。熱交換用パネル３の他端は前記円錐形状凸部分が嵌り込み可能な円錐形状凹部分として形成されている。
【００４１】
〔トンネル側熱交換部の実施の形態２〕
熱交換用パネル３内に２本の孔がある状況は実施の形態１と同様であるが、この実施の形態２の場合は、図４に示すように、コンクリート等の熱交換用パネル３のパネル本体３ｄに孔３ｅを形成したものである。トンネルの長手方向（延長方向）に沿って熱交換用パネル３の孔３ｅの中心を合わせて設置する。但し、孔３ｅの中心を合わせて設置する場合、水密性は要求されない。トンネル側熱交換部４を設置すべき長さ（トンネルの工事長さ）が所定の長さに到達したら、２本の孔の中にポリエチレン等の長いパイプ３ｆを挿入する。先端部に、Ｕ字状の孔が形成された熱交換用パネルを設置し、このＵ字状の孔に弾性変形可能なパイプを挿入し、このＵ字状パイプとパイプ３ｆ等をジョイント、融着又は接着などしてパイプ間の水密性を確保する。このようにして、２本のパイプ等でＵ字状のパネル内流体路を有するトンネル側熱交換部４を形成する。
又、トンネル側熱交換部４は、図５に示すように、熱交換用パネル３の孔３ｅとパイプ３ｆ、Ｕ字状の孔と弾性変形可能なパイプとの間に、セメント等のグラウト材５を充填することで熱交換性を向上させたものであってもよい。なお、グラウト材は、ベントナイトに珪素を混ぜたもの、ベントナイト、珪素に少量のセメントを混ぜたものなどであってもよい。
【００４２】
〔トンネル側熱交換部の実施の形態３〕
この実施の形態３のトンネル側熱交換部４は、熱交換用パネル３に２本の孔ではなくポリエチレン製のパイプの入る幅の断面Ｕ字状の溝を熱交換用パネル３の外側（地山側）又は内側に２本有する構造のものである。熱交換用パネル３を設置する場合は、パイプ同士の位置を合わせて、トンネルに沿って長い断面Ｕ字状の溝が形成される。この溝の中にパイプが挿入され、パイプ間をジョイント、融着、接着等することで水密性を確保するとよい。また、トンネル側熱交換部４を設置すべき長さが所定の長さになった時点で、この断面Ｕ字状の溝をＵ字状に形成した熱交換用パネルを設置し、この熱交換パネルの溝内に又はＵ字状に形成されたパイプ又は弾性変形可能なパイプを設ける。そして、２本のパイプと弾性変形可能なパイプ等との間をジョイント、融合、接着等することで、パイプ間の水密性が確保された流体路が形成される。溝とパイプとの間に、セメント等のグラウト材を充填することで熱交換性をよくするとよい。このようにして、Ｕ字状のパネル内流体路を有するトンネル側熱交換部４を設置することができる。なお、内側にＵ字状の溝を有するものは、溝をパネルカバーで覆うようにするとよい。
【００４３】
断面Ｕ字状の溝に沿ってパイプを設置する場合は、長いパイプを設置してもよく、トンネルの地盤、岩盤等の状況により１パネルごとあるいは数パネルごとにパイプをジョイント、融着又は接着などして延長してもよい。熱交換用パネル３のＵ字状溝とパイプとの間は、セメント等のグラウト材を充填することで熱交換性をよくしてもよい。
【００４４】
〔トンネル側熱交換部の実施の形態４〕
実施の形態４のトンネル側熱交換部は、トンネル内の空気温度が高い場合、その空気のもつ熱を利用するためのものである。すなわち、前記した地下鉄のトンネル内の空気の持つ熱を採取するのに好適な部材である。トンネルの空気に接触する部分の熱交換効率をよくするために、熱交換用パネル３０にフィンを形成した構造とする。例えば熱交換用パネル３０（図１２参照）のトンネル内側をフィン付きとする。フィン付きとすると、広い表面積を有するので、熱交換性はよくなる。このフィンは、熱伝導性のよい金属性とするのが好ましい。地下鉄トンネル内、構内に設置する場合は、熱交換効率がよい銅製等のフィンを備えた熱交換用パネルを使用することも可能である。
【００４５】
次に熱交換用パネル３の構造について図に基づいて具体的に説明を行う。
〔平板用熱交換用パネル〕
図６、図７は平板形の熱交換用パネル２０を示す。図６は熱交換用パネル２０の正面図、図７は平面図である。この熱交換用パネル２０内に２本の孔２０ａが設けられ、この孔２０ａ内にパイプ２０ｂが設けられている。２本のパイプ２０ｂのうち一方は第１流体１０ｂの往路用パネル内流体路（以下、往路用流体路という。）であり、他方は復路用パネル内流体路（以下、復路用流体路という。）である。この熱交換用パネル２０は隣接して複数個接続されるが、その接続側端部は凹凸形状になっている。
【００４６】
即ち熱交換用パネル２０の一端は、２本の孔２０ａ及びパイプ２０ｂ部分の熱交換用パネル２０の一部が円錐形状凸部分（以下、凸部分という。）２１として張り出すように形成されており、他端はこの凸部分２１が嵌り込み可能な円錐形状凹部分（以下、凹部分という。）２２として形成されている。従ってこの熱交換用パネル２０は接続されると凸部分２１と凹部分２２が相互に嵌り込み２つの熱交換用パネル２０は端部が付き合わされて接合し二点鎖線に示すように一体化する。接合部分は円錐形状になっているので、隙間なく押し込まれ水密状態を維持するが、円錐形状部にパッキン等シール部材を設けたり、シール剤、密封剤等を塗布すれば水密性は一層確実に確保できる。なお、平型形の熱交換パネルは、前述したトンネル側熱交換部の実施の形態２のように接続部分がないものであってもよい。
【００４７】
〔弧状熱交換用パネル〕
図８に示すのは、断面が弧状の熱交換用パネル２３の正面図である。平面図は図６と略同様構成であるので省略するが、接続部分２４は前述の平板形と全く同様である。この熱交換用パネル２３は弧状になっているトンネル内壁１に適用されるので、弧状形状となっている。トンネルの施工においては前述の平板形の熱交換用パネル２０、壁パネル３ａと組み合わせて使用される。なお、弧状の熱交換パネル２３は、前述したトンネル側熱交換部の実施の形態２のように接続部分がないものであってもよい。
【００４８】
図９は、所定長さに達したトンネル側熱交換部４の後端部に使用される熱交換用パネル２５の平面図である。熱交換用パネル２５内にＵ字状の孔２６が設けられていて、往路用流体路２６ａと復路用流体路２６ｂがＵ字状に内部で接続されている。この往路用流体路２６ａと復路用流体路２６ｂの端部は凹部分２７を形成して、前述の熱交換用パネル２０，２３の凸部分２１が嵌りこむ。この熱交換用パネル２０，２３，２５が相互に接続されることにより、第１流体１０ｂは熱交換用パネル２０，２３，２５外に漏れることなく循環する。また、孔２６内にパイプ２６ｃを設けた構成のものであってもよい。更に、熱交換パネル２５は、前述したトンネル側熱交換部の実施の形態２のように接続部分がないものであってもよい。
【００４９】
〔異熱伝導性熱交換用パネル〕
図１０及び図１１は熱伝導性の異なるコンクリートで構成される熱交換用パネル２８を示す正面図である。なお、熱交換用パネルは、同じ熱伝導性のコンクリートで製造されていてもよいが、この実施の形態のように熱伝導性の異なる熱交換用パネルにしてもよい。図１０において、この熱交換用パネル２８は、地山、地盤側（トンネル外面側）を高熱伝導性のコンクリート２８ａとし、トンネル内面側を低熱伝導性のコンクリート２８ｂとして一体化させたものである。図１０は、パイプ２８ｃを高熱伝導性のコンクリート２８ａ側に設けている。図１１も図１０と同様であるが、高熱伝導性のコンクリート２８ａ側に往路用流体路のパイプ２９ａを設け、低熱伝導性のコンクリート２８ｂ側に復路用流体路のパイプ２９ｂを設けた形態である。高熱伝導性のコンクリート２８ａ内に、少なくとも往路用流体路のパイプ２９ａを設けることで熱採取を容易にすることができる。なお、熱交換用パネルは、一般のコンクリートと高熱伝導性のコンクリート、一般のコンクリートと低熱伝導性のコンクリートとを一体化したものであってもよい。例えば、地山、地盤側（トンネル外面側）を高熱伝導性のコンクリートとし、トンネル内面側を一般のコンクリートとして一体化させたものなどであってもよい。さらに、熱交換用パネルは、一般のコンクリートと高熱伝導性のコンクリート、一般のコンクリートと低熱伝導性のコンクリートのいずれかで形成されたものであってもよい。
【００５０】
〔フィン付熱交換用パネル〕
図１２は、トンネル内の空気温度が高い場合に適用される熱交換用パネル３０である。地山、地盤側を低熱伝導性のコンクリート３０ａとし、トンネル内面側に高熱伝導性のコンクリート３０ｂとして一体化させたものである。またトンネル内面側の高熱伝導性コンクリート３０ｂはフィン３１付きとして構成している。このフィン３１はコンクリートと一体のものであってもよいが、熱伝導性のよい金属製の方が効果的である。往路用流体路のパイプ３２ａは高熱伝導性のコンクリート３０ｂ側に設けられ、復路用流体路のパイプ３２ｂは低熱伝導性のコンクリート３０ａ側に設けられている。すなわち、高温の空気温度をフィン３１、高熱伝導性のコンクリート３０ｂで第１流体１０ｂへの熱交換が容易になるようにしている。また、温度の低い地山、地盤側の影響を、低熱伝導性のコンクリート３０ａで受けにくくしている。
【００５１】
更に図示はしていないが、前述した実施の形態で説明した熱交換用パネルの変形例として、前述に示したものと同様のパイプを設置できる溝が形成された熱交換用パネルであってもよい。又、図１２においてフィンはトンネル内側に設けることで説明したが地盤側（トンネル外側）に設けるようにしてもよい。
【００５２】
〔トンネル熱利用熱交換システムの実施の形態〕
図１に従って、トンネル熱利用熱交換システムの実施の形態の説明を行う。
熱交換パネル３で構成されたトンネル側熱交換部４、第１熱交換部１０を含む第１熱移動用流体路（以下、第１流体路という。）１０ａを第１流体１０ｂが循環している。トンネル側熱交換部４のパネル内流体路は、第１流体路１０ａの一部を形成している。第１流体１０ｂは、ポンプ１０ｃによって循環している。負荷側熱交換部２、第２熱交換部１１を含む第２熱移動用流体路（以下、第２流体路という。）１１ａを第２循環流体（以下、第２流体という。）１１ｂが循環している。第２流体１１ｂは、ポンプ１１ｃによって循環している。第１流体路１０ａと、第２流体路１１ａの間には、ヒートポンプ５が設けられている。このヒートポンプ５は公知のものであるが、理解を容易にするため図１３をもとに概略を説明する。このヒートポンプ５は道路等の融雪装置、住宅の冷暖房装置、給湯装置等に適用されることが多いものである。
【００５３】
このヒートポンプ５は、図１、１３に示すように、熱媒体６を循環させ熱交換を行なうもので、媒体路にモーター７で駆動される圧縮機８、膨張弁９、第１熱交換部１０、第２熱交換部１１を有している。トンネル側の第１流体路１０ａに第１熱交換部１０を配し、負荷側熱交換部２側の第２流体路１１ａに第２熱交換部１１を配した構成になっている。第１流体１０ｂは、熱交換パネル３の設置によりトンネル内壁１に設けられたトンネル側熱交換部４でトンネルの地中又はトンネル内の空気と熱交換する。トンネル側熱交換部４で熱交換された第１流体１０ｂが第１流体路１０ａを循環し、第１熱交換部１０で熱媒体６と熱交換を行う。第１流体１０ｂと熱交換された熱媒体６は、圧縮機８で圧縮されて加熱され、第２熱交換部１１で、第２流体１１ｂと熱交換する。熱媒体６と熱交換した第１流体１０ｂは、トンネル側熱交換部４に戻り地中と熱交換を行う。第２流体１１ｂは、負荷側熱交換部２である路面等に設置された熱交換部を含む第２流体路１１ａ内を循環する。第２熱交換部１１で加熱された第２流体１１ｂは負荷側熱交換部２で熱交換して熱制御対象物を加熱する。例えば、路面を温めて凍結を防止したり、部屋の暖房等を行う。負荷側熱交換部２で熱量を使った第２流体１１ｂは低温化し、第２ポンプ１１ｃで第２熱交換部１１に戻り、熱媒体６との熱交換を行う。
【００５４】
第２流体１１ｂと熱交換した熱媒体６は低温化し、膨張弁９によってさらに減圧されることによって、さらに低温になって第１熱交換部１０に戻り、第１流体１０ｂと熱交換を行う。又、第１流体路１０ａ内を循環する第１流体１０ｂ、第２流体路１１ａ内を循環する第２流体１１ｂは水又は不凍液であることが好ましく、各々第１ポンプ１０ｃ、第２ポンプ１１ｃを介して強制的に循環している。このように、トンネル壁面の外側、即ち地盤と、あるいはトンネル内の廃熱が蓄積された空気等を、熱交換用パネル３で構成されるトンネル側熱交換部４で熱交換し、前述のヒートポンプ５の熱源に利用することで、経済的で省エネルギーな熱交換システムが構築できるのである。なお、この説明では、トンネル側熱交換部４で熱交換された熱を熱源として、負荷側熱交換部２を加熱するものとして説明を行ったが、トンネル側熱交換部４で熱交換された熱を熱源として、負荷側熱交換部を冷却するものであってもよい。その場合には、図１３において、第１流体、熱媒体、第２流体の循環の方向を逆方向とすればよい。
【００５５】
〔トンネル熱利用熱交換システムの他の実施の形態〕
図１４に従って、トンネル熱利用熱交換システムの他の実施の形態の説明を行う。前述した実施の形態では、トンネル側熱交換部で熱交換した熱を熱源とする熱交換システムとして、ヒートポンプを利用するシステムで説明を行ったが、トンネル側熱交換部で熱交換した熱を直接利用してもよい。
【００５６】
図１４に示すように、トンネル内壁１０１の熱交換用パネル１０３で構成されたトンネル側熱交換部１０４でトンネルの地中又は空気と熱交換する。この熱を熱交換された循環流体１１０ｂが熱移動用流体路をポンプ１１０によって循環する。トンネル側熱交換部１０４のパネル内流体路は、熱移動用流体路の一部を形成している。ポンプ１１０で循環させられた循環流体１１０ｂは、負荷側熱交換部１０２に熱を移動させる。負荷側熱交換部１０２で熱制御対象物を加熱又は冷却、融雪等を行うことができる。ヒートポンプを利用したものに比べると、加熱、冷却能力は少し劣るが、低価格でトンネル熱利用熱交換システムを構築することができる。
【００５７】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されることはない。本発明の目的、趣旨を逸脱しない範囲内で変更可能なことはいうまでもない。例えば、熱交換用パネルに流体路を１本設け、往路用流体路、復路用流体路を別々の熱交換用パネルに設けたものであってもよい。この場合、トンネル側熱交換部の長さが所定の長さに達したら、略Ｌ字状のパネル内流体路を有する熱交換用パネル２個を対称に接続して循環可能なＵ字状の流体路を形成し、循環流体が循環可能になるようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】図１は、トンネル熱交換用パネル及びトンネル熱利用熱交換システムを模式的に示した全体構成図である。
【図２】図２は、トンネル熱交換用パネルを有するトンネルの断面図である。
【図３】図３は、トンネル熱交換用パネルで構成されるトンネル側熱交換部の実施の形態１を示す断面図である。
【図４】図４は、トンネル熱交換用パネルで構成されるトンネル側熱交換部の実施の形態２を示す断面図である。
【図５】図５は、トンネル熱交換用パネルの孔とパイプとの間にグラウト材を充填した状態を示す断面図である。
【図６】図６は、平板形トンネル熱交換用パネルの正面図である。
【図７】図７は、平板形トンネル熱交換用パネルの平面図である。
【図８】図８は、弧状トンネル熱交換用パネルの正面図である。
【図９】図９は、Ｕ字状往復循環路を有するトンネル熱交換用パネルの平面図である。
【図１０】図１０は、異なる熱伝導性を有するコンクリートで構成されるトンネル熱交換用パネルの正面図で、往復路のパイプを高熱伝導性コンクリート側に設けた場合を示す。
【図１１】図１１は、異なる熱伝導性を有するコンクリートで構成されるトンネル熱交換用パネルの正面図で、往路のパイプを高熱伝導性コンクリート側に、復路のパイプを低熱伝導性コンクリート側に設けた場合を示す。
【図１２】図１２は、フィンを設けたトンネル熱交換用パネルの正面図である。
【図１３】図１３は、ヒートポンプの構成を示す説明図である。
【図１４】図１４は、トンネル熱交換用パネル及びトンネル熱利用熱交換システムの他の実施の形態を模式的に示した全体構成図である。
【符号の説明】
【００５９】
１，１０１…トンネル内壁
２，１０２…負荷側熱交換部
３，２０，２３，２５，３０，１０３…トンネル熱交換用パネル
３ａ…壁パネル
３ｂ，３ｄ…パネル本体
４，１０４…トンネル側熱交換部
５…ヒートポンプ
６…熱媒体
１０…第１熱交換部
１１…第２熱交換部
【図１】
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【図２】
0004535981.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0004535981.tif 000006
【図６】
0004535981.tif 000007
【図７】
0004535981.tif 000008
【図８】
0004535981.tif 000009
【図９】
0004535981.tif 000010
【図１０】
0004535981.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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